(57)【要約】【課題】回生電力を十分に利用することができるようにする。【解決手段】複数の燃料電池区分と、各燃料電池区分に燃料及び空気を供給して各燃料電池区分を稼働させる燃料電池稼働区分処理手段と、各燃料電池区分において発生させられた電流を受けて駆動される駆動モータと、各燃料電池区分のうちの第１の燃料電池区分を電解装置として稼働させ、水素ガス及び酸素ガスを発生させる回生処理手段と、発生させられた酸素ガスを第２の燃料電池区分に供給する出力変更処理手段とを有する。各燃料電池区分のうちの第１の燃料電池区分を電解装置として稼働させ、水素ガス及び酸素ガスを発生させ、発生させられた酸素ガスを第２の燃料電池区分に供給するようにしているので、回生電力を十分に利用することができる。【選択図】図１
2007073237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池区分と、該各燃料電池区分に燃料及び空気を供給して各燃料電池区分を稼働させる燃料電池区分稼働処理手段と、前記各燃料電池区分において発生させられた電流を受けて駆動される駆動モータと、前記各燃料電池区分のうちの第１の燃料電池区分を電解装置として稼働させ、水素ガス及び酸素ガスを発生させる回生処理手段と、発生させられた酸素ガスを第２の燃料電池区分に供給する出力変更処理手段とを有することを特徴とする燃料電池搭載車両。
【請求項２】
燃料電池搭載車両を走行させるのに伴って、燃料電池に加わる負荷を算出する負荷算出処理手段を有するとともに、前記燃料電池区分稼働処理手段は、算出された負荷に応じて各燃料電池区分のうちの所定の燃料電池区分を選択し、選択された燃料電池区分に燃料及び空気を供給し、前記燃料電池区分を稼働させる請求項１に記載の燃料電池搭載車両。
【請求項３】
複数の燃料電池区分に燃料及び空気を供給して各燃料電池区分を稼働させ、該各燃料電池区分において発生させられた電流を供給して駆動モータを駆動するようにした燃料電池搭載車両の制御方法において、前記各燃料電池区分のうちの第１の燃料電池区分を電解装置として稼働させ、水素ガス及び酸素ガスを発生させ、発生させられた酸素ガスを第２の燃料電池区分に供給することを特徴とする燃料電池搭載車両の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池搭載車両及び燃料電池搭載車両の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を搭載した車両（以下「燃料電池搭載車両」という。）においては、積層型の燃料電池によって発生させられた電力を交流の電流、すなわち、交流電流として駆動モータに供給し、該駆動モータを駆動することによってトルクを発生させるようにしている。
【０００３】
そのために、前記燃料電池搭載車両に燃料電池システムが配設され、該燃料電池システムは、高圧水素が液体水素として貯蔵された燃料タンク、前記燃料電池を構成し、前記燃料タンクから排出された水素ガス及び空気を受ける燃料電池スタック、該燃料電池スタックから排出された空気、蒸気及び水から成る混合流中の蒸気を凝縮させる凝縮器等を備える。前記燃料電池スタックには、上端部に空気を供給するための供給マニホルドが、下端部に混合流を排出する排出マニホルドが形成される。
【０００４】
そして、前記燃料電池スタックにおいては、スタックケース内にモジュールが収容され、該モジュールにおいて、前記水素ガスの水素と空気中の酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、反応に伴って直流の電流、すなわち、直流電流が発生させられる。そのために、前記モジュールは、燃料電池の要素を構成する複数の単位セルを互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成り、前記各単位セルは、電解質膜を挟んで空気極及び燃料極を配設することによって形成されたメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ（ＭＥＡ）、並びに隣接する単位セルのメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ間を分離し、前記空気極に臨ませて空気流路を、前記燃料極に臨ませて燃料流路を形成するセパレータを備える。
【０００５】
ところで、前記燃料電池搭載車両に電解装置を搭載し、燃料電池搭載車両の制動時に発生させられた回生電力を電解装置に供給することによって水素ガスを発生させ、該水素ガスを回収するようにした燃料電池システムが提供されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平７−９９７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、電解装置が別途配設され、回生電力を供給することによって発生させられた水素ガスを回収するようになっているが、酸素は回収しないので、回生電力を十分に利用することができない。
【０００７】
また、電解装置は、回生電力が供給されていない間は稼働することがない。
【０００８】
本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、回生電力を十分に利用することができる燃料電池搭載車両及び燃料電池搭載車両の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そのために、本発明の燃料電池搭載車両においては、複数の燃料電池区分と、該各燃料電池区分に燃料及び空気を供給して各燃料電池区分を稼働させる燃料電池区分稼働処理手段と、前記各燃料電池区分において発生させられた電流を受けて駆動される駆動モータと、前記各燃料電池区分のうちの第１の燃料電池区分を電解装置として稼働させ、水素ガス及び酸素ガスを発生させる回生処理手段と、発生させられた酸素ガスを第２の燃料電池区分に供給する出力変更処理手段とを有する。
【００１０】
本発明の他の燃料電池搭載車両においては、さらに、燃料電池搭載車両を走行させるのに伴って、燃料電池に加わる負荷を算出する負荷算出処理手段を有する。
【００１１】
そして、前記燃料電池区分稼働処理手段は、算出された負荷に応じて各燃料電池区分のうちの所定の燃料電池区分を選択し、選択された燃料電池区分に燃料及び空気を供給し、前記燃料電池区分を稼働させる。
【００１２】
本発明の燃料電池搭載車両の制御方法においては、複数の燃料電池区分に燃料及び空気を供給して各燃料電池区分を稼働させ、該各燃料電池区分において発生させられた電流を供給して駆動モータを駆動するようになっている。
【００１３】
そして、前記各燃料電池区分のうちの第１の燃料電池区分を電解装置として稼働させ、水素ガス及び酸素ガスを発生させ、水素ガスを第１、第２の燃料電池区分にそれぞれ供給し、酸素ガスを第２の燃料電池区分に供給する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池搭載車両においては、複数の燃料電池区分と、該各燃料電池区分に燃料及び空気を供給して各燃料電池区分を稼働させる燃料電池区分稼働処理手段と、前記各燃料電池区分において発生させられた電流を受けて駆動される駆動モータと、前記各燃料電池区分のうちの第１の燃料電池区分を電解装置として稼働させ、水素ガス及び酸素ガスを発生させる回生処理手段と、発生させられた酸素ガスを第２の燃料電池区分に供給する出力変更処理手段とを有する。
【００１５】
この場合、各燃料電池区分のうちの第１の燃料電池区分を電解装置として稼働させ、水素ガス及び酸素ガスを発生させ、発生させられた酸素ガスを第２の燃料電池区分に供給するようにしているので、発生させられた水素ガスだけでなく酸素ガスを利用することができる。したがって、回生電力を十分に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの概念図、図２は本発明の実施の形態における燃料電池搭載車両の概念図である。
【００１８】
図において、１０は燃料電池搭載車両であり、該燃料電池搭載車両１０は車両本体１２を備え、該車両本体１２は、必要に応じて分割部１３によって、運転席側区分ＡＲ１及び乗員席側区分ＡＲ２に分割することができる。そして、運転席側区分ＡＲ１だけで燃料電池搭載車両１０を走行させることができるように構成される。
【００１９】
前記燃料電池搭載車両１０の前方（図において右方）の左右に駆動輪となる車輪Ｌｆ、Ｒｆが、燃料電池搭載車両１０の後方（図において左方）の左右に駆動輪となる車輪Ｌｒ、Ｒｒが配設され、各車輪Ｌｆ、Ｒｆ、Ｌｒ、Ｒｒのホイール内に駆動モータとしてのホイールモータＭｉ（ｉ＝１、２、３、４）がそれぞれ独立に駆動可能に配設される。そして、各ホイールモータＭｉに負荷装置としてのインバータＩｖｉ（ｉ＝１、２、３、４）が接続され、各インバータＩｖｉにコネクタＣｎ１を介して家庭用電源の接続口が配設される。
【００２０】
また、運転席側区分ＡＲ１に、各ホイールモータＭｉに供給される直流の電流、すなわち、直流電流ｉｄｉ（ｉ＝１、２、３、４）の供給源となる第１の電源装置としての、かつ、第１の燃料電池としての効率型燃料電池（ＦＣ）１５、第１の燃料供給部としての水素タンク１６、及び媒体供給部、かつ、酸素ガス供給装置としてのとしての酸素タンク１７が配設され、乗員席側区分ＡＲ２に、直流電流ｉｄｉの供給源となる第２の電源装置としての、かつ、第２の燃料電池としてのパワー型燃料電池（ＦＣ）１８、及び第２の燃料供給部としての水素タンク１９が配設される。
【００２１】
本実施の形態において、燃料電池搭載車両１０は複数の燃料電池区分から成る燃料電池を備え、前記効率型燃料電池１５によって第１の燃料電池区分が、パワー型燃料電池１８によって第２の燃料電池区分が構成される。なお、前記効率型燃料電池１５は電解装置としての機能も有する。また、酸素タンク１７とパワー型燃料電池１８との間に開閉弁２１が配設される。
【００２２】
後述されるように、前記水素タンク１６には水素ガスが気体の状態で、水素タンク１９には水素ガスが高圧の気体の状態で貯蔵され、酸素タンク１７には酸素ガスが気体の状態で貯蔵される。なお、前記水素タンク１６、１９に代えて、水素ガスが充填（てん）された水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクを使用することができる。その場合、前記水素吸蔵合金は、常温下で水素ガスを放出し、低温下で水素ガスを吸蔵する性質を有する。なお、寒冷地においては、燃料電池搭載車両１０が極めて低温の環境下に置かれることになるので、水素吸蔵合金は水素ガスを放出しなくなる。そこで、外気の温度が設定値より低くなると、図示されない加熱部としてのヒータが通電され、水素吸蔵合金が加熱される。
【００２３】
また、前記燃料電池搭載車両１０を走行させるに当たり、各ホイールモータＭｉを駆動するために図示されないモータ制御装置が配設される。該モータ制御装置の負荷算出処理手段としての車両要求トルク算出処理手段は、負荷算出処理としての車両要求トルク算出処理を行い、車速検出部としての図示されない車速センサによって検出された車速、負荷検出部としての図示されないアクセル開度センサによって検出され、図示されないアクセルペダルの踏込量で表されるアクセル開度を読み込み、燃料電池システムに要求されるトルク、すなわち、車両要求トルクを算出する。そのために、前記車両要求トルク算出処理手段は、前記モータ制御装置に内蔵された記憶装置の車両要求トルクマップを参照して、車速及びアクセル開度に対応する車両要求トルクＴＯを読み出す。なお、該車両要求トルクＴＯは、燃料電池搭載車両１０を走行させる際に、効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８に加わる負荷を表す。
【００２４】
続いて、前記モータ制御装置の駆動モータ目標トルク算出処理手段は、駆動モータ目標トルク算出処理を行い、前記車両要求トルクＴＯ、各ホイールモータＭｉに供給され、電流検出部としての図示されない電流センサによって検出された交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、図示されないレゾルバ等によって検出された各ホイールモータＭｉの磁極位置等を読み込み、各ホイールモータＭｉに要求される駆動モータトルクで表される駆動モータ目標トルクを算出する。そして、前記モータ制御装置の駆動信号発生処理手段は、駆動信号発生処理を行い、前記駆動モータ目標トルクに基づいてＰＷＭ信号を発生させ、該ＰＷＭ信号に基づいて駆動信号を発生させて各インバータＩｖｉに送る。したがって、各インバータＩｖｉは、前記駆動信号に基づいて３相の交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを発生させ、各交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを各ホイールモータＭｉに供給する。その結果、各ホイールモータＭｉが駆動され、駆動モータトルクが発生させられ、各車輪Ｌｆ、Ｒｆ、Ｌｒ、Ｒｒに駆動モータトルクが伝達され、燃料電池搭載車両１０が走行させられる。
【００２５】
また、燃料電池搭載車両１０を走行させているときに、運転者がアクセルペダルを緩めると、燃料電池搭載車両１０が制動され、前記各ホイールモータＭｉに、回生電力が回生電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとして発生させられる。そこで、本実施の形態において、回生電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、各インバータＩｖｉに供給され、該各インバータＩｖｉにおいて直流電流Ｉｄｉ（ｉ＝１、２、３、４）に変換され、該直流電流Ｉｄｉは効率型燃料電池１５に供給される。なお、前記回生電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは一次の回生電流を構成し、直流電流Ｉｄｉは二次の回生電流を構成する。
【００２６】
前記効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８を選択的に稼働させるために、第１のリレーとしての効率型燃料電池（ＦＣ）リレーＲ１及び第２のリレーとしてのパワー型燃料電池（ＦＣ）リレーＲ２が配設される。また、効率型燃料電池１５に空気を供給するためにファンＦ１が、パワー型燃料電池１８に空気を供給するためにファンＦ２が配設される。
【００２７】
次に、効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８の稼働原理について説明する。
【００２８】
この場合、効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８の構造はほぼ同じであるので、パワー型燃料電池１８についてだけ説明する。
【００２９】
図３は本発明の実施の形態におけるパワー型燃料電池の稼働原理を示す図である。
【００３０】
図において、１８はパワー型燃料電池、１１は積層型の燃料電池、本実施の形態においては、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を構成する燃料電池スタック、２５は該燃料電池スタック１１に第１の反応媒体としての、かつ、第１の酸化剤としての空気を供給するための第１の媒体供給系としての空気供給系、２６は前記燃料電池スタック１１から排出された反応後の空気、蒸気及び水から成る混合流を排出するための混合流排出系、２７は前記燃料電池スタック１１に燃料としての水素ガスを供給するための燃料供給系としての水素ガス供給系、２８は前記燃料電池スタック１１に第２の反応媒体としての、かつ、第２の酸化剤としての酸素ガスを供給するための第２の媒体供給系としての酸素ガス供給系、２９は前記燃料電池スタック１１に水を供給するための冷却媒体供給部としての水供給系である。
【００３１】
本実施の形態においては、燃料電池として固体高分子型燃料電池が使用されるようになっているが、該固体高分子型燃料電池に代えて、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、ヒドラジン型燃料電池、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等を使用することもできる。
【００３２】
前記燃料電池スタック１１は、筐（きょう）体としての図示されないスタックケース、及び該スタックケース内に収容されたスタックユニット１１ａを備える。そして、該スタックユニット１１ａは、図示されない複数のモジュール、該各モジュールを挟んで配設され、燃料電池スタック１１の端子を構成する一対の図示されないターミナル、並びに前記モジュール及びターミナルを挟んで配設され、絶縁材料によって形成された図示されないインシュレータを備える。
【００３３】
ところで、前記各モジュールにおいて、前記水素ガス供給系２７によって供給された水素ガスの水素と、前記空気供給系２５によって供給された空気中の酸素、及び必要に応じて酸素ガス供給系２８によって供給された酸素ガスの酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、反応に伴って直流電流ｉｄｉが発生させられる。そのために、前記モジュールは、燃料電池スタック１１の要素を構成する複数の薄い膜状の単位セルを積層し、互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成る。
【００３４】
前記各単位セルは、固体高分子から成り、イオン、本実施の形態においては、水素イオンを透過する固体電解質としての電解質膜を挟んで、拡散層から成る空気極、及び反応層から成る燃料極（水素極）を配設することによって形成されたメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ、並びに隣接する単位セルのメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ間を分離し、前記空気極に臨ませて空気流路を、前記燃料極に臨ませて燃料流路を形成するセパレータを備える。
【００３５】
前記空気極及び燃料極における電解質膜と接触する面には、水素と酸素との反応を促進するために、カーボンに、白金系触媒及び固体高分子を混合してペースト状とした物質がある程度の厚さで均一に分散させられ、触媒層が形成される。
【００３６】
前記スタックケース内には、前記スタックユニット１１ａより上方に、空気供給系２５から供給された空気を各空気極に供給し、分配するための、第１のマニホルドとしての供給マニホルド２２が、スタックユニット１１ａより下方に、空気流路内の混合流を集め、混合流排出系２６に排出するための、第２のマニホルドとしての排出マニホルド２３が形成される。前記供給マニホルド２２及び排出マニホルド２３は、前記空気流路と連通させられる。そのために、前記セパレータにおける空気極と面する側には、垂直方向に延びる複数の溝が形成され、各溝によって前記空気流路が構成される。
【００３７】
また、前記セパレータにおける燃料極と面する側は、全周が、隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリに対して接着剤によって接着され、シールされる。シールされた部分の内側には、マトリックス状に突出させて複数の突起が形成されているので、各突起間に、燃料極に水素ガスを供給するための複数の水平な燃料流路が形成される。なお、７１は燃料電池スタック１１の起電圧を検出する電圧検出部としての、複数の電圧センサ（Ｖ）である。
【００３８】
前記空気供給系２５は、供給マニホルド２２に空気を供給するための供給路２０、該供給路２０に配設された酸化剤供給装置としてのシロッコファン等から成る前記ファンＦ２、該ファンＦ２によって吸引される空気を濾（ろ）過するフィルタ２４等を備える。なお、前記酸化剤供給装置として、ファンＦ２に代えてコンプレッサ、空気ボンベ、空気タンク等を使用することができる。
【００３９】
また、前記混合流排出系２６は、排出マニホルド２３から排出された混合流のうちの空気及び蒸気を排出するための排出路３０、該排出路３０に接続された回収部材としての凝縮器３１、空気の温度を検出する温度検出部としての温度センサ（Ｔ）３２等を備える。
【００４０】
前記水素ガス供給系２７は、水素タンク１９、該水素タンク１９に接続され、水素タンク１９から排出された水素ガスを燃料電池スタック１１に供給するための第１の燃料供給路５１、該第１の燃料供給路５１と前記燃料電池スタック１１との間を接続する第２の燃料供給路５２、該第２の燃料供給路５２と並列に形成され、第１の燃料供給路５１と前記燃料電池スタック１１との間を接続し、水素ガスを帰還させる燃料帰還路５３、該燃料帰還路５３に接続され、水素ガスを排出する燃料排出路５４等を備える。
【００４１】
そして、前記第１の燃料供給路５１に、水素タンク１９側から燃料電池スタック１１側にかけて、第１の燃料供給路５１に排出された水素ガスの圧力（一次圧力）を検出する第１の圧力検出器としての水素ガス圧センサ（Ｐ）４２、前記第１の燃料供給路５１に排出された水素ガスの圧力を調整する第１の燃料供給圧調整部としての調圧弁４３Ａ、燃料電池スタック１１への水素ガスの供給量を調整する第１の燃料供給量調整部としての開閉弁４４Ａ、前記調圧弁４３Ａによって調整された水素ガスの圧力を更に調整する第２の燃料供給圧調整部としての調圧弁４３Ｂ、前記開閉弁４４Ａによって調整された水素ガスの供給量を更に調整する第２の燃料供給量調整部としての開閉弁４４Ｂ、及び該開閉弁４４Ｂによって調整され、燃料電池スタック１１に供給される直前の水素ガスの圧力（二次圧力）を検出する第２の圧力検出器としての水素ガス圧センサ（Ｐ）４５が配設される。
【００４２】
前記開閉弁４４Ａ、４４Ｂは、水素ガスの供給量を調整するだけでなく、燃料電池スタック１１への水素ガスの供給を行ったり、遮断したりする。なお、前記調圧弁４３Ａ、４３Ｂは、水素ガスの圧力を段階的に低くするために配設されるが、必要に応じて調圧弁を三つ以上配設することができる。
【００４３】
また、燃料帰還路５３には、燃料電池スタック１１側から水素タンク１９側にかけて、燃料濃度検出部としての水素濃度センサ（Ｃ）４６、吸引ポンプ４７及び逆止弁４８が配設され、該逆止弁４８と前記第１の燃料供給路５１とが接続される。前記逆止弁４８は、吸引ポンプ４７側から水素ガス圧センサ４５側に水素ガスが流れるのを許容し、水素ガス圧センサ４５側から吸引ポンプ４７側に水素ガスが流れるのを阻止する。
【００４４】
そして、前記燃料帰還路５３における吸引ポンプ４７と逆止弁４８との間に前記燃料排出路５４が接続され、該燃料排出路５４に、燃料帰還路５３側から順に、逆止弁５５及び排出電磁弁５６が配設される。前記逆止弁５５は、吸引ポンプ４７側から排出電磁弁５６側に水素ガスが流れるのを許容し、排出電磁弁５６側から吸引ポンプ４７側に水素ガスが流れるのを阻止する。なお、前記水素タンク１９に代えて、水素吸蔵合金タンクを使用する場合、前記水素吸蔵合金は、常温下で水素ガスを放出し、低温下で水素ガスを吸蔵する性質を有するので、調圧弁４３Ａ、４３Ｂの開度を変えるだけで水素ガスの圧力を調整することができる。
【００４５】
また、前記酸素ガス供給系２８は、前記酸素タンク１７、該酸素タンク１７に接続され、酸素タンク１７内から排出された酸素ガスを供給マニホルド２２に供給するための酸素ガス供給路５７を備え、該酸素ガス供給路５７に酸素タンク１７内の圧力を検出する第３の圧力検出器としての酸素ガス圧センサ（Ｐ）４１が配設され、前記酸素ガス供給路５７に酸素ガスを選択的に供給マニホルド２２に供給する前記開閉弁２１が配設される。
【００４６】
前記水供給系２９は、水供給源としての水タンク６１、水供給装置としてのポンプ６２、空気極冷却装置としての噴射装置（インジェクタ）６３、前記水タンク６１から排出された水を噴射装置６３に供給するための供給路６０、排出マニホルド２３の下部に溜（た）まり、排出マニホルド２３から排出された水、及び凝縮器３１において分離させられた水を回収し、水タンク６１に供給するための水帰還路５９、回収された水を水タンク６１に供給する水回収ポンプ６５、並びに水回収ポンプ６５と水タンク６１との間に配設された逆止弁６６を備える。該逆止弁６６は、水回収ポンプ６５側から水タンク６１側に水が流れるのを許容し、水タンク６１側から水回収ポンプ６５側に水が流れるのを阻止する。
【００４７】
なお、前記凝縮器３１に凝縮促進部材として図示されない冷却ファンが配設され、該冷却ファンを作動させて冷却媒体としての空気を凝縮器３１に供給し、該凝縮器３１を冷却する。また、前記冷却ファンの回転速度を高くし、送風量を多くすることによって、蒸気の凝縮量を多くすることができる。
【００４８】
前記水タンク６１には、水位検出部としての水位センサ（Ｌ）６４が配設され、該水位センサ６４によって水タンク６１内の水の量を表す水位が検出される。そして、水位があらかじめ設定された下限値以下になると、通知部材としての図示されないアラームが点滅し、水が不足していることを運転者に通知する。この場合、運転者は、例えば、前記冷却ファンの回転速度を高くすることによって凝縮器３１の能力を高くし、水の回収量を多くする。
【００４９】
なお、水位があらかじめ設定された上限値以上になったときに、水が過剰であることを運転者に通知することもできる。その場合、運転者は、例えば、前記冷却ファンの回転速度を低くすることによって凝縮器３１の能力を低くし、水の回収量を少なくする。なお、前記水位センサ６４及び冷却ファンは図示されない制御部に接続されるので、該制御部は、水位センサ６４によって検出された水位に対応させて自動的に冷却ファンの回転速度を変更することができる。
【００５０】
前記構成のパワー型燃料電池１８において、前記水素タンク１９から水素ガスが排出されると、第１の燃料供給路５１において、水素ガスは、圧力が調圧弁４３Ａ、４３Ｂによって調整され、供給量が開閉弁４４Ａ、４４Ｂによって調整されて第２の燃料供給路５２に送られ、燃料電池スタック１１に供給され、該燃料電池スタック１１内の各燃料流路に分配され、該各燃料流路を流れる。
【００５１】
一方、前記ファンＦ２を作動させることによって、車外から取り込まれた空気が前記供給マニホルド２２に供給され、各空気流路に分配され、該各空気流路を下方に向けて流れる。このとき、必要に応じて酸素タンク１７から排出された酸素ガスが、同様に供給マニホルド２２に供給される。
【００５２】
ところで、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に前記セパレータを介してインバータＩｖｉを接続すると、燃料極において形成される水素イオンが、プロトン（Ｈ+ ）の形態で水分を含んだ電解質膜内を空気極側に移動し、空気中の酸素と結合して水を生成する。また、前記燃料極で発生した電子がインバータＩｖｉを介して空気極側に移動し、直流電流ｉｄｉが発生する。このように、空気流路内を空気が、燃料流路内を水素ガスが流れると、酸素と水素とが反応して水が生成され、これに伴って直流電流ｉｄｉが発生させられる。なお、燃料電池スタック１１によって発生させられた電圧、すなわち、出力電圧は前記電圧センサ７１によって、燃料電池スタック１１によって発生させられた直流電流ｉｄｉは、電流検出部としての図示されない電流センサによってそれぞれ検出される。
【００５３】
ところで、前記水素と酸素とが反応する際に熱が発生するが、該熱によって燃料電池スタック１１の温度が高くなり過ぎると、電解質膜のプロトンの伝導機能の確保に必要となる水分が放出され、抵抗が大きくなってしまう。そこで、前記供給マニホルド２２の上端に前記噴射装置６３を配設し、該噴射装置６３からモジュールに向けて、冷却用の水を霧状に噴射するようにしている。
【００５４】
そして、前記水は、空気と共に前記空気流路を下方に向けて流れ、その間に周囲の空気、空気極の表面、電解質膜の表面等から熱を奪って蒸発して蒸気となり、該蒸気によって潜熱冷却が行われ、燃料電池スタック１１が冷却される。さらに、前記蒸気又は蒸気にならない液滴の水は、空気極を通過して電解質膜に供給される。したがって、ファンＦ２による送風によって電解質膜が必要以上に乾燥するのを防止することができる。
【００５５】
このように、燃料電池スタック１１が冷却されるので、燃料電池スタック１１、特に、空気極及び電解質膜が熱によって破損するのを防止することができるだけでなく、電解質膜において水分が蒸発するのを防止することができる。そして、反応した酸素以外の成分から成る残りの空気、燃料電池スタック１１の冷却に伴って発生した蒸気、及び反応によって生成された水は、混合流として排出マニホルド２３に送られる。
【００５６】
そして、排出マニホルド２３から排出された混合流のうちの空気及び蒸気は、排出路３０を介して凝縮器３１に供給され、蒸気は、凝縮器３１によって凝縮されて水になり、該水は、水帰還路５９を介して水タンク６１に供給され、水タンク６１に蓄えられるとともに、噴射装置６３に供給され、該噴射装置６３からモジュールに向けて噴射される。前記空気は凝縮器３１の外部に排出される。
【００５７】
なお、前記効率型燃料電池１５（図１）及びパワー型燃料電池１８は、いずれも、図３に示されるような構造を有するが、効率型燃料電池１５において、燃料電池スタック１１の寸法が小さくされ、ポンプ６２を作動させる際の回転速度が低くされ、噴射装置６３から噴射される水の量が少なくされるとともに、ファンＦ１の回転速度が低くされ、供給マニホルド２２に供給される空気の量が少なくされる。なお、ポンプ６２を停止させ、噴射装置６３から噴射される水の量を零（０）にしたり、ファンＦ１を停止させ、供給マニホルド２２に供給される空気の量を零にしたりして、自然空冷で効率型燃料電池１５を冷却することができる。
【００５８】
すなわち、効率型燃料電池１５においては、該効率型燃料電池１５を動作させるための補機類の消費電力が、パワー型燃料電池１８を動作させるための補機類の消費電力より小さいので、効率型燃料電池１５を動作させる際の効率をその分高くすることができる。ところが、空気の供給及び空気による冷却が、出力として要求される直流電流に対して十分ではないので、直流電流ｉｄｉが多くなる側では効率型燃料電池１５の効率が低下してしまう。
【００５９】
これに対して、パワー型燃料電池１８においては、燃料電池スタック１１の寸法が効率型燃料電池１５と比べて大きくされ（同じでもよい。）、ポンプ６２を駆動する際の回転速度が高くされ、噴射装置６３から噴射される水の量が多くされるとともに、ファンＦ２の回転速度が高くされ、供給マニホルド２２に供給される空気の量が多くされる。
【００６０】
この場合、補機類の消費電力はその分大きくなり、パワー型燃料電池１８の効率は低くなるが、空気の供給及び空気による冷却が、出力として要求される直流電流に対して十分になるので、直流電流ｉｄｉが多くなる。
【００６１】
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。
【００６２】
図４は本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御回路を示すブロック図、図５は本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御回路の動作を示すフローチャート、図６は本発明の実施の形態における効率型燃料電池及びパワー型燃料電池の特性の第１の比較図、図７は本発明の実施の形態における効率型燃料電池及びパワー型燃料電池の特性の第２の比較図である。
【００６３】
図において、７０は制御部、Ｒ１は効率型燃料電池１５を稼働させるための効率型燃料電池リレー、Ｒ２はパワー型燃料電池１８を稼働させるためのパワー型燃料電池リレー、２１は酸素ガス供給路５７に配設された開閉弁、４１は酸素ガス圧センサである。前記制御部７０は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算装置、半導体メモリ等の記憶装置、入出力インタフェース等を備え、コンピュータとして機能する。
【００６４】
次に、制御部７０の図示されない燃料電池区分稼働処理手段としての燃料電池稼働処理手段は、燃料電池区分稼働処理としての燃料電池稼働処理を行い、モータ制御装置において算出された車両要求トルクＴＯを読み込み、該車両要求トルクＴＯが、閾（しきい）値ＴＯｔｈ以上であるかどうかを判断する。
【００６５】
そして、前記燃料電池稼働処理手段は、前記車両要求トルクＴＯが閾値ＴＯｔｈ以上である場合、パワー型燃料電池リレーＲ２をオンにしてパワー型燃料電池１８を選択し、稼働させ、効率型燃料電池リレーＲ１をオフにして効率型燃料電池１５の稼働を停止させる。また、前記車両要求トルクＴＯが閾値ＴＯｔｈより小さい場合、効率型燃料電池リレーＲ１をオンにして効率型燃料電池１５を選択し、稼働させ、パワー型燃料電池リレーＲ２をオフにしてパワー型燃料電池１８の稼働を停止させる。
【００６６】
ところで、駆動モータ目標トルクが算出されたときに効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８に要求される出力を出力要求（効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８において発生させられる直流電流ｉｄｉの指令値に相当する。）としたとき、該出力要求を変化させたときの、効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８において発生させられる出力電圧は、図６に示されるように変化する。
【００６７】
すなわち、効率型燃料電池１５において、ラインＬ１で示されるように、出力要求が小さい領域で発生させられる出力電圧は高いが、出力要求を大きくすると、出力電圧は急激に低くなるのに対して、パワー型燃料電池１８においては、出力要求を大きくしても、ラインＬ２で示されるように、発生させられる出力電圧は十分に高くすることができる。さらに、パワー型燃料電池１８において、開閉弁２１を開放して、酸素タンク１７の酸素ガスを供給マニホルド２２に送ると、ラインＬ３で示されるように、発生させられる出力電圧は更に十分に高くすることができる。
【００６８】
これに対して、出力要求を変化させたときの、効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８の効率は、図７に示されるように変化する。
【００６９】
すなわち、効率型燃料電池１５の効率は、ラインＬ１１で示されるように、出力要求が小さい領域で高く、ピーク値Ｐを採り、出力要求を大きくすると、急激に低くなる。また、パワー型燃料電池１８の効率は、ラインＬ１２で示されるように、出力要求が小さい領域で低いが、出力要求を大きくすると、十分に高くすることができる。さらに、開閉弁２１を開放して、酸素タンク１７の酸素ガスを供給マニホルド２２に送ったときのパワー型燃料電池１８の効率は、ラインＬ１３で示されるように、更に十分に高くすることができる。
【００７０】
そこで、本実施の形態において、ラインＬ１１とラインＬ１２、Ｌ１３とが交差する点の出力要求を第１の閾値α１としたとき、前記閾値ＴＯｔｈは、第１の閾値α１に対応させて設定される。
【００７１】
したがって、出力要求が第１の閾値α１より小さい場合に、効率型燃料電池１５が稼働させられ、出力要求が第１の閾値α１以上になると、パワー型燃料電池１８が稼働させられるので、効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８の出力電圧及び効率を常に高くすることができる。
【００７２】
そして、第１の閾値α１より大きい第２の閾値α２が設定され、制御部７０の図示されない出力変更処理手段は、出力変更処理を行い、出力要求が第２の閾値α２以上であるかどうかを判断し、出力要求が第２の閾値α２以上である場合、前記開閉弁２１を開放し、酸素タンク１７の酸素ガスをパワー型燃料電池１８の供給マニホルド２２に送る。その結果、前述されたように、パワー型燃料電池１８の出力電圧は、ラインＬ３で示されるように高くなり、パワー型燃料電池１８の効率はラインＬ１３で示されるように高くなる。
【００７３】
また、出力要求が第２の閾値α２より小さくなると、出力変更処理手段は、開閉弁２１を閉鎖し、酸素ガスの供給を停止させる。
【００７４】
したがって、出力要求が大きくなっても、効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８の出力電圧及び効率を常に高くすることができる。
【００７５】
このように、効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８の特性の良いところを利用することができるので、燃料電池システムの稼働効率を高くすることができる。
【００７６】
また、例えば、乗車している人数が少なく、出力要求が小さい場合には、効率型燃料電池１５だけを稼働させて燃料電池搭載車両１０（図２）を走行させることができるので、燃料電池システムの稼働効率を高くすることができる。
【００７７】
次に、図４のフローチャートについて説明する。
ステップＳ１  車両要求トルクＴＯが閾値ＴＯｔｈ以上であるかどうかを判断する。車両要求トルクＴＯが閾値ＴＯｔｈ以上である場合はステップＳ２に進み、車両要求トルクＴＯが閾値ＴＯｔｈより小さい場合はステップＳ３に進む。
ステップＳ２  パワー型燃料電池リレーＲ２をオンにする。
ステップＳ３  効率型型燃料電池リレーＲ１をオンにし、ステップＳ１に戻る。
ステップＳ４  出力要求が第２の閾値α２以上であるかどうかを判断する。出力要求が第２の閾値α２以上である場合はステップＳ５に進み、出力要求が第２の閾値α２より小さい場合はステップＳ１に戻る。
ステップＳ５  酸素タンク１７の圧力が一定値以上であるかどうかを判断する。酸素タンク１７の圧力が一定値以上である場合はステップＳ６に進み、酸素タンク１７の圧力が一定値より低い場合はステップＳ１に戻る。
ステップＳ６  開閉弁２１を開放する。
ステップＳ７  出力要求が第２の閾値α２より小さいかどうかを判断する。出力要求が第２の閾値α２より小さい場合はステップＳ８に進み、出力要求が第２の閾値α２以上である場合はステップＳ１に戻る。
ステップＳ８  開閉弁２１を閉鎖し、処理を終了する。
【００７８】
ところで、前述されたように、各ホイールモータＭｉを駆動する場合、効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８で発生させられた直流電流ｉｄｉは、各インバータＩｖｉに供給され、該各インバータＩｖｉにおいて交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに変換され、該交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは各ホイールモータＭｉに供給される。そして、運転者がアクセルペダルから足を離したときのように、燃料電池搭載車両１０が制動させられると、各ホイールモータＭｉにおいて回生電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが発生させられる。そこで、制御部７０の図示されない回生処理手段は、回生処理を行い、前記各インバータＩｖｉに駆動信号を供給し、回生電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを直流電流Ｉｄｉに変換する。また、制御部７０の図示されない電解処理手段は、電解処理を行い、直流電流Ｉｄｉを効率型燃料電池１５に供給し、効率型燃料電池１５を電解装置として機能させて稼働させ、効率型燃料電池１５において、水素ガス及び酸素ガスを発生させ、水素ガスを水素タンク１６に、酸素ガスを酸素タンク１７に貯蔵する。
【００７９】
続いて、効率型燃料電池１５を電解装置として機能させて稼働させる場合、及び酸素タンク１７からパワー型燃料電池１８に酸素ガスを供給する場合の燃料電池システムの動作について説明する。
【００８０】
図８は本発明の実施の形態におけるパワー型燃料電池に酸素ガスを供給する場合の燃料電池システムの動作を示す図、図９は本発明の実施の形態における効率型燃料電池を電解装置として機能させて稼働させる場合の燃料電池システムの動作を示す図である。なお、図において、水素タンク１６内における水素ガス及び酸素タンク１７内における酸素ガスに、水素ガス及び酸素ガスの量を表すために境界面が便宜上記載されているが、実際は、水素ガス及び酸素ガスのいずれも気体の状態であるので境界面はない。
【００８１】
図において、Ｍｉはホイールモータ、Ｉｖｉはインバータ、１５は効率型燃料電池、１６は水素タンク、１７は酸素タンク、１８はパワー型燃料電池、６１は水タンク、２１、８１、８２は開閉弁である。
【００８２】
燃料電池システムにおいて、各ホイールモータＭｉを駆動する場合、すなわち、発電時に、図８に示されるように、パワー型燃料電池１８において、供給路２０を介して空気が、第２の燃料供給路５２及び開閉弁８１を介して水素ガスが、酸素ガス供給路５７及び開閉弁２１を介して酸素ガスが供給されると、空気極において、
Ｏ2 ＋４Ｈ+ ＋４ｅ- →２Ｈ2 Ｏ
の反応が起こり、燃料極において、
２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- 
の反応が起こる。
【００８３】
その結果、前述されたように、パワー型燃料電池１８で直流電流ｉｄｉが発生させられ、該直流電流ｉｄｉは、各インバータＩｖｉに供給され、該各インバータＩｖｉにおいて交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに変換され、該交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗはホイールモータＭｉに供給される。なお、発生した水は、排出マニホルド２３から排出され、水帰還路５９、ポンプ６２及び開閉弁８２を介して水タンク６１に供給される。
【００８４】
また、運転者がアクセルペダルから足を離したときのように、燃料電池搭載車両１０が制動させられる場合、すなわち、回生時に、図９に示されるように、各ホイールモータＭｉにおいて回生電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが発生させられ、該回生電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは各インバータＩｖｉに供給され、該各インバータＩｖｉにおいて直流電流Ｉｄｉに変換され、該直流電流Ｉｄｉは電解装置として機能する効率型燃料電池１５に供給される。
【００８５】
このとき、水タンク６１内の水は、水帰還路５９、ポンプ６２及び開閉弁８２を介して排出マニホルド２３に供給され、該排出マニホルド２３から効率型燃料電池１５内に供給される。
【００８６】
そして、効率型燃料電池１５の空気極において、
２Ｈ2 Ｏ→Ｏ2 ＋４Ｈ+ ＋４ｅ- 
の反応が起こり、燃料極において、
４Ｈ+ ＋４ｅ- →２Ｈ2 
の反応が起こる。
【００８７】
その結果、発生した水素ガスは、第２の燃料供給路５２及び開閉弁８１を介して水素タンク１６に供給され、該水素タンク１６に貯蔵され、発生した酸素ガスは、酸素ガス供給路５７及び開閉弁２１を介して酸素タンク１７に供給され、酸素タンク１７に貯蔵される。
【００８８】
このように、発生した水素ガス及び酸素ガスを水素タンク１６及び酸素タンク１７に貯蔵し、その後、直流電流ｉｄｉを発生させるのに使用することができるので、回生電力を十分に利用することができる。また、発生した酸素ガスをパワー型燃料電池１８に供給することによって、パワー型燃料電池１８の出力電圧及び効率を高くすることができる。
【００８９】
なお、各インバータＩｖｉをコネクタＣｎ１（図２）を介して家庭用電源と接続し、家庭用電源の交流電流を各インバータＩｖｉに供給し、該各インバータＩｖｉにおいて交流電流を直流電流Ｉｄｉに変換して効率型燃料電池１５に送ることができる。したがって、このとき、発生した水素ガス及び酸素ガスを水素タンク１６及び酸素タンク１７に貯蔵することによって、水素タンク１６内の水素ガス及び酸素タンク１７内の酸素ガスの量を多くすることができる。
【００９０】
本実施の形態において、効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８を燃料電池の稼働単位を表す燃料電池区分とし、燃料電池システムに加わる負荷に応じて、効率型燃料電池１５及びパワー型燃料電池１８が選択的に稼働させられるようになっているが、燃料電池を構成する燃料電池スタック、モジュール、単位セルを燃料電池区分とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの概念図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料電池搭載車両の概念図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるパワー型燃料電池の稼働原理を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御回路を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御回路の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態における効率型燃料電池及びパワー型燃料電池の特性の第１の比較図である。
【図７】本発明の実施の形態における効率型燃料電池及びパワー型燃料電池の特性の第２の比較図である。
【図８】本発明の実施の形態におけるパワー型燃料電池に酸素ガスを供給する場合の燃料電池システムの動作を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態における効率型燃料電池を電解装置として機能させて稼働させる場合の燃料電池システムの動作を示す図である。
【符号の説明】
【００９２】
１０    燃料電池搭載車両
１５    効率型燃料電池
１８    パワー型燃料電池
７０    制御部
Ｍｉ    ホイールモータ
【図１】
2007073237.tif 000003
【図２】
2007073237.tif 000004
【図３】
2007073237.tif 000005
【図４】
2007073237.tif 000006
【図５】
2007073237.tif 000007
【図６】
2007073237.tif 000008
【図７】
2007073237.tif 000009
【図８】
2007073237.tif 000010
【図９】
2007073237.tif 000011